周 楓 齊丹丹

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

通信機(jī)房的能耗主要來自程控交換機(jī)配置、空調(diào)體系、電源配置和照明四個(gè)方面。其中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的近40%，通信機(jī)房的空調(diào)能耗還有很大的節(jié)能空間。目前，機(jī)房空調(diào)已有很多成熟的應(yīng)用技術(shù)，包括變頻節(jié)能、冷凝器霧化噴淋、乙二醇節(jié)能機(jī)組、濕膜加濕節(jié)能技術(shù)等。在節(jié)能領(lǐng)域研究比較火熱的當(dāng)下，近幾年出現(xiàn)的氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)體現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。

通信設(shè)備發(fā)熱量大。機(jī)房空調(diào)與舒適性空調(diào)機(jī)的最大區(qū)別在于一年四季都需要制冷，當(dāng)過渡季節(jié)室外溫度低于通信機(jī)房環(huán)境的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，利用室外自然冷源降低機(jī)房溫度是一種有效的節(jié)能方式。本文對(duì)氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了闡述，對(duì)上海電信機(jī)房精密空調(diào)改造加裝氟泵的節(jié)能效果進(jìn)行測(cè)試與分析，為上海地區(qū)機(jī)房空調(diào)的節(jié)能改造提供技術(shù)參考。

1 自然冷源利用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

傳統(tǒng)空調(diào)是壓縮機(jī)將冷媒從低壓蒸汽壓縮成高溫高壓蒸汽，能量消耗較大。在具備自然冷源利用和過渡季節(jié)等合適的條件下，無需開啟壓縮機(jī)同樣使空調(diào)器獲得制冷效果，供冷量滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求，可獲得較好的節(jié)能效果，這就是自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)。

早在上世紀(jì)70年代，日本電話電信建筑部就成功研發(fā)了冷媒主動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)與壓縮機(jī)機(jī)械循環(huán)并用式空調(diào)機(jī)組。冷媒主動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)即是冷媒循環(huán)流動(dòng)不用提供其它動(dòng)力作用，依靠自身液相與氣相間的密度差來提供的動(dòng)力進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，形成一個(gè)閉環(huán)式的冷媒主動(dòng)循環(huán)。

1985年，日本大金工業(yè)株式會(huì)社研制成冷媒主動(dòng)循環(huán)的計(jì)算機(jī)專用空調(diào)機(jī)。專用空調(diào)機(jī)由室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)組裝而成，其中室外機(jī)組為風(fēng)冷式冷凝器。20世紀(jì)90年代，日本三菱電機(jī)株式會(huì)社等4家單位共同合作研發(fā)了采用冷媒主動(dòng)循環(huán)的空調(diào)機(jī)。在過渡季和冬季，室外溫度較低，該機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行冷媒主動(dòng)循環(huán)，停止運(yùn)行壓縮機(jī)，以此大幅降低機(jī)組的耗電量。

在國(guó)內(nèi)，冷媒主動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)研究起步較晚。2010年后，自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)得到了很大發(fā)展，氟泵循環(huán)冷媒式自然冷卻系統(tǒng)逐漸投入實(shí)踐應(yīng)用，部分時(shí)段采用氟泵代替壓縮機(jī)運(yùn)行。制冷劑在無氣體壓縮和節(jié)流降壓的循環(huán)過程中，利用氟泵克服制冷劑管道的阻力，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。一般氟泵功率遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)功率。當(dāng)室外溫度下降到設(shè)定的低點(diǎn)情況下，氟泵可提供的制冷量與壓縮機(jī)基本相同，這就是氟泵節(jié)能的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)氟泵空調(diào)的主流廠商多采用“雙擎三?！奔夹g(shù)，即壓縮機(jī)模式、混合動(dòng)力模式、氟泵自然冷模式，可根據(jù)室外氣候條件及室內(nèi)負(fù)荷需求智能動(dòng)態(tài)切換，高效節(jié)能。在我國(guó)北方地區(qū)，室外溫度低于0℃的天數(shù)占全年的百分比相當(dāng)可觀，利用這一有利條件，氟泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)得到廣泛推廣應(yīng)用，節(jié)能效果非常明顯。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，一般全年節(jié)能量可達(dá)40%以上。

上海地區(qū)屬于長(zhǎng)江流域，室外溫度低于0℃的天數(shù)占全年的百分比相對(duì)較少，早期研發(fā)的氟泵空調(diào)限制了應(yīng)用范圍和效果。近幾年，生產(chǎn)廠家為擴(kuò)大利用自然冷源的溫度范圍，加大投入和研發(fā)，氟泵空調(diào)的功能得到了提升。創(chuàng)新的“雙擎”混合制冷技術(shù)，在室外20°C即可開啟節(jié)能運(yùn)行模式，能夠充分利用室外自然冷源，最大化提升整機(jī)全年運(yùn)行能效比。

2 氟泵自然冷空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流裝置四大部件組成。針對(duì)一般冷媒主動(dòng)循環(huán)要求冷凝器與蒸發(fā)器之間必須要有一定的高度差才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)，循環(huán)動(dòng)力較小，且要求室內(nèi)外要有較大溫差，制冷量相對(duì)較小，難以控制機(jī)組的有效出力等缺點(diǎn)，科技人員在傳統(tǒng)的冷媒主動(dòng)循環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)置、加裝了一個(gè)工質(zhì)泵來實(shí)現(xiàn)冷媒的被動(dòng)循環(huán)，減少了啟用壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，有效地保護(hù)了壓縮機(jī)的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)時(shí)間的供冷效果，節(jié)能效果更加明顯。

加入工質(zhì)泵后的氟泵空調(diào)系統(tǒng)，包括機(jī)房?jī)?nèi)的蒸發(fā)器、外部的風(fēng)機(jī)冷凝器、制冷劑氣液分離器、油分離器和制冷劑循環(huán)泵（見圖1）。

圖1 氟泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理示意圖

氟泵強(qiáng)制液體制冷劑流過蒸發(fā)器，室內(nèi)熱空氣放熱給蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)的制冷劑，制冷劑吸熱且少部分的制冷劑吸熱氣化，帶氣泡的制冷劑液體循環(huán)到冷凝器內(nèi)，再將攜帶的熱量釋放到室外，制冷劑放熱后變?yōu)檫^冷液體。如此循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)室外冷空氣在不接觸的情況下冷卻室內(nèi)熱空氣。在該系統(tǒng)內(nèi)，氟泵強(qiáng)制循環(huán)制冷劑液體，使其流過蒸發(fā)器、冷凝器內(nèi)的流速增加，提高換熱效率。

3 氟泵自然冷空調(diào)的特點(diǎn)和運(yùn)行模式

氟泵空調(diào)是機(jī)房精密空調(diào)。常規(guī)機(jī)房空調(diào)在制冷方面，全年依靠壓縮機(jī)。氟泵空調(diào)根據(jù)室外溫度環(huán)境的變化進(jìn)行電控調(diào)節(jié)，用氟泵節(jié)能單元代替壓縮機(jī)，降低機(jī)組整體功耗。氟泵機(jī)組采用間接利用室外低溫空氣源技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：

（1）利用原制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，不增加設(shè)備投資，不占用空間；

（2）對(duì)機(jī)房的潔凈度和濕度沒有任何影響；

（3）兩種循環(huán)共用一種制冷劑，機(jī)房無水患憂慮；

（4）投資低，節(jié)能效果明顯。

氟泵制冷系統(tǒng)的三種運(yùn)行模式：

（1）壓縮機(jī)運(yùn)行模式。氟泵制冷系統(tǒng)和常規(guī)風(fēng)冷機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)完全相同。低溫、低壓的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱汽化后，被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓蒸汽，然后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行排熱，該模式對(duì)應(yīng)于室外溫度較高的條件。

（2）壓縮機(jī)和泵混合運(yùn)行模式。制冷劑泵（或叫液泵）和壓縮機(jī)共同運(yùn)行，當(dāng)過渡季節(jié)室外溫度較低時(shí)，可顯著提高整機(jī)的能效比。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)隨室外溫度降低,需通過風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速或冷凝壓力控制等方式保持冷凝溫度(冷凝壓力)不低于35℃(約12．5bar)。壓縮機(jī)和氟泵同時(shí)運(yùn)行的混合模式可繼續(xù)降低冷凝溫度至最低點(diǎn)的25℃左右，有利于整機(jī)能效提高，同時(shí)氟泵增壓輔助壓縮機(jī)通過提高液體壓力，增加液體過冷度,既消除氣體閃發(fā)，又增強(qiáng)了膨脹閥供液動(dòng)力，有助于增強(qiáng)冷媒流量，提高蒸發(fā)溫度(壓力)，提高制冷能力，保證了空調(diào)高顯熱比。氟泵的功耗因遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)功耗，從而提高整機(jī)能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

（3）泵運(yùn)行模式。制冷劑泵單獨(dú)運(yùn)行，在室外低溫條件下應(yīng)用，能效表現(xiàn)遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)運(yùn)行模式，大大節(jié)省了機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)制冷的耗電量。

在室外低溫情況下，泵循環(huán)系統(tǒng)工作時(shí)由于不需要將制冷劑的壓力大幅提高，因此能耗也遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)模式。在輸出相同制冷量的情況下，泵運(yùn)行功率遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)功率。

4 測(cè)試方法

2017年，上海電信機(jī)房空調(diào)節(jié)能改造時(shí)，采用了氟泵節(jié)能技術(shù)。氟泵具有“雙擎三?！惫ぷ髂Ｊ剑▔嚎s機(jī)與氟泵兩個(gè)動(dòng)力，壓縮機(jī)模式、混合模式、純泵模式）。為了驗(yàn)證空調(diào)增加氟泵的節(jié)能效果，我們分別對(duì)三個(gè)不同品牌的加裝氟泵空調(diào)進(jìn)行了能耗監(jiān)測(cè)，分別記錄三種不同模式下的運(yùn)行能耗，計(jì)算出各個(gè)模式的節(jié)能率，再根據(jù)2017年上海地區(qū)的氣象資料，計(jì)算出平均全年節(jié)能率（壓縮機(jī)模式是指室外溫度＞20℃，混合模式是指室外溫度為10℃～20℃，純泵模式是指室外溫度＜10℃）。

測(cè)試期間，系統(tǒng)分別采用壓縮機(jī)模式、混合模式、純泵模式運(yùn)行進(jìn)行測(cè)量能耗情況。然后，以壓縮機(jī)模式為基準(zhǔn)值，三者進(jìn)行對(duì)比，分析計(jì)算節(jié)能率。

測(cè)試節(jié)能率計(jì)算按以下公式：

其中：

S1——混合模式節(jié)能率（%）；

S2——純泵模式節(jié)能率（%）；

S3——全年節(jié)能率（%）；

P1——混合模式小時(shí)用電量；

P2——純泵模式小時(shí)用電量；

P3——壓縮機(jī)模式小時(shí)用電量；

X1——混合模式年運(yùn)行小時(shí)；

X2——純泵模式年運(yùn)行小時(shí)；

X3——壓縮機(jī)模式年運(yùn)行小時(shí)。

5 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

節(jié)能率的測(cè)試，用掛電表的方式對(duì)同一臺(tái)空調(diào)，在不同的運(yùn)行模式下進(jìn)行能耗情況監(jiān)控（此臺(tái)空調(diào)已經(jīng)具備氟泵）。智能電表監(jiān)控、測(cè)量機(jī)組的功率和電能，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)，查詢?nèi)我鈺r(shí)刻的功率和耗電量。系統(tǒng)分別測(cè)量壓縮機(jī)模式、混合模式、純泵模式運(yùn)行能耗情況。然后，系統(tǒng)以壓縮機(jī)模式為基準(zhǔn)值，三者進(jìn)行對(duì)比，分析計(jì)算節(jié)能率。

5.1 不同運(yùn)行模式的功率曲線

同一臺(tái)空調(diào)在不同的運(yùn)行模式下，可通過軟件查詢某一時(shí)段功率曲線。圖2為不同運(yùn)行模式在功率曲線上的實(shí)時(shí)情況。

圖2 氟泵空調(diào)機(jī)組在三種不同運(yùn)行模式下的功率曲線圖

5.2 不同運(yùn)行模式的用電量測(cè)試

電信機(jī)房的三個(gè)品牌空調(diào)在加裝氟泵后進(jìn)行了用電量測(cè)試，并計(jì)算節(jié)能率，結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試綜合數(shù)據(jù)表

上表可見：電信機(jī)房的三個(gè)品牌空調(diào)在不同運(yùn)行模式下，純泵運(yùn)行節(jié)能率高于混合運(yùn)行模式；三種不同品牌空調(diào)加裝氟泵后的節(jié)能率也有不同。

5.3 年節(jié)能率計(jì)算

2017年，根據(jù)上海地區(qū)的氣象資料統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)模式年運(yùn)行1 864h，混合模式年運(yùn)行3 098h，純泵模式年運(yùn)行3 798h（見表2和表3）。

表2 不同運(yùn)行模式年運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

表3 年節(jié)能率計(jì)算表

6 結(jié)論

信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減排已經(jīng)成為考核各運(yùn)營(yíng)企業(yè)的重要指標(biāo)之一。機(jī)房空調(diào)耗電占比大，是節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。氟泵機(jī)組采用間接利用室外低溫空氣源技術(shù)，節(jié)能效果十分明顯。在改造機(jī)房空調(diào)時(shí)，可利用原制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，投資較低，不占用機(jī)房空間，對(duì)機(jī)房的潔凈度和濕度沒有任何影響。

上海電信機(jī)房三個(gè)不同品牌的空調(diào)，在加裝氟泵后，進(jìn)行節(jié)能效果測(cè)試，計(jì)算得出全年平均節(jié)能率19．08%。從節(jié)能效果和系統(tǒng)運(yùn)行條件來看，氟泵機(jī)組作為風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)的配套是一個(gè)較好的選擇。當(dāng)然，不同品牌的氟泵空調(diào)節(jié)能效果存在著差距。因此，我們要加強(qiáng)項(xiàng)目的投資經(jīng)濟(jì)核算，選擇節(jié)能效果高和投資經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案，充分發(fā)揮氟泵自然冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)在節(jié)能創(chuàng)新綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。